專利名稱：轉(zhuǎn)速傳感器和用于運(yùn)行轉(zhuǎn)速傳感器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明從根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的轉(zhuǎn)速傳感器出發(fā)。
背景技術(shù)：
這樣的結(jié)構(gòu)是普遍公知的。例如由文獻(xiàn)DE10108196A1公開了一種具有科里奧利元件的用于測量轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器，所述轉(zhuǎn)速垂直于傳感器的襯底平面。所述傳感器包括第一科里奧利元件和第二科里奧利元件，它們通過彈簧彼此連接并且被激勵(lì)成平行于驅(qū)動(dòng)軸線的振動(dòng)，其中第一探測裝置和第二探測裝置探測第一科里奧利元件和第二科里奧利元件由于作用到科里奧利元件上的科里奧利力平行于襯底平面的偏轉(zhuǎn)，從而第一探測裝置的第一探測信號和第二探測裝置的第二探測信號的差與科里奧利力相關(guān)并且由此也與轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)速相關(guān)。在此，科里奧利元件通過彈簧元件可運(yùn)動(dòng)地連接到驅(qū)動(dòng)框架上并且通過驅(qū)動(dòng)框架間接地連接到襯底上。彈簧元件構(gòu)造為U形彈簧，其包括兩個(gè)互相平行地延伸的彎曲彈簧，它們通過頂部固定地彼此連接。通過彎曲彈簧的彎曲能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)框架和科里奧利元件由于科里奧利力的平行于襯底平面的偏轉(zhuǎn)。此外，構(gòu)造用于探測平行于襯底平面延伸的轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器是已知的。這樣的轉(zhuǎn)速傳感器例如由文獻(xiàn)W02005/043079A2公開。所述轉(zhuǎn)速傳感器具有類似的功能原理，其中科里奧利元件被驅(qū)動(dòng)成繞平行于主延伸平面并且垂直于轉(zhuǎn)速延伸的驅(qū)動(dòng)軸線的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)并且由于科里奧利力被偏轉(zhuǎn)成繞垂直于襯底平面的探測軸線的探測振動(dòng)。在所有所述的轉(zhuǎn)速傳感器中，驅(qū)動(dòng)振動(dòng)和探測振動(dòng)是不可完全彼此分離的，從而由制造公差決定地產(chǎn)生從驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)到探測運(yùn)動(dòng)的串?dāng)_。所述串?dāng)_不利地產(chǎn)生正交信號，其振幅通常比真正的測量信號高四倍。必須耗費(fèi)地通過合適的措施在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速傳感器時(shí)(例如，有源的所連接的補(bǔ)償電極)以及在測量信號的電處理時(shí)抑制所述正交信號。微機(jī)械轉(zhuǎn)速傳感器中的正交信號的主要原因在于，由于制造公差不能理想地加工用于懸掛科里奧利元件和驅(qū)動(dòng)裝置的所使用的彈簧元件。如果所述彈簧元件受力(例如產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng))，則其不僅與所施加的力平行地偏轉(zhuǎn)也與所述方向(例如平行于探測方向)正交地偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)到探測運(yùn)動(dòng)中的串?dāng)_。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)并列權(quán)利要求的根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)速傳感器和根據(jù)本發(fā)明的用于運(yùn)行轉(zhuǎn)速傳感器的方法相對于現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):正交信號顯著降低。這通過如下方式實(shí)現(xiàn):探測彈簧在振動(dòng)節(jié)點(diǎn)的區(qū)域中耦合在力傳遞裝置上。當(dāng)激勵(lì)震動(dòng)質(zhì)量進(jìn)行驅(qū)動(dòng)振動(dòng)時(shí)，所述力傳遞裝置優(yōu)選在振動(dòng)節(jié)點(diǎn)的區(qū)域中保持靜止，從而抑制探測彈簧由于驅(qū)動(dòng)振動(dòng)的變形。通過所述方式抑制驅(qū)動(dòng)振動(dòng)到探測振動(dòng)中的串?dāng)_，從而使正交信號的形成最小化。特別地因此實(shí)現(xiàn)由震動(dòng)質(zhì)量和力傳遞裝置組成的系統(tǒng)在襯底上的幾乎無力和力矩的懸掛。因此，有利地，不需要補(bǔ)償結(jié)構(gòu)或者耗費(fèi)的信號處理。所述探測彈簧分別尤其間接地或直接地連接到襯底上或襯底錨定部上。根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)速傳感器尤其包括MEMS部件(微機(jī)電系統(tǒng))，所述MEMS部件在半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝中制成。襯底優(yōu)選包括半導(dǎo)體材料，尤其是硅，其被相應(yīng)地結(jié)構(gòu)化以構(gòu)造震動(dòng)質(zhì)量、探測彈簧和力傳遞裝置。在此，所述結(jié)構(gòu)化優(yōu)選在光刻法、蝕刻法、沉積法和/或鍵合法的范疇內(nèi)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的有利構(gòu)型和擴(kuò)展方案可由從屬權(quán)利要求和參考附圖的描述中得出。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，力傳遞裝置通過彈簧元件如此與震動(dòng)質(zhì)量耦合，使得力傳遞裝置能夠通過震動(dòng)質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)被激勵(lì)成具有振動(dòng)節(jié)點(diǎn)的駐波。有利地，力傳遞裝置如此構(gòu)造，使得力傳遞裝置通過由于力傳遞裝置與以驅(qū)動(dòng)振動(dòng)形式振動(dòng)的震動(dòng)質(zhì)量的耦合的激勵(lì)被激勵(lì)成駐波。駐波構(gòu)成一些振動(dòng)節(jié)點(diǎn)，這些振動(dòng)節(jié)點(diǎn)與力傳遞裝置的其余部分相比幾乎保持靜止，從而不會(huì)由于從震動(dòng)質(zhì)量串?dāng)_到力傳遞裝置上的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)引起探測彈簧的彎曲應(yīng)力。力傳遞裝置優(yōu)選在驅(qū)動(dòng)軸線的區(qū)域中與震動(dòng)質(zhì)量耦合，從而有利地不引起力傳遞裝置垂直于主延伸平面的平移運(yùn)動(dòng)。由此有利于振動(dòng)節(jié)點(diǎn)的靜止位置。根據(jù)一個(gè)有利的實(shí)施方式，轉(zhuǎn)速傳感器具有至少一個(gè)相鄰的另外的震動(dòng)質(zhì)量，其借助于另外的驅(qū)動(dòng)裝置能夠被激勵(lì)成繞平行于驅(qū)動(dòng)軸線的另外的驅(qū)動(dòng)軸線的另外的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)，其中所述驅(qū)動(dòng)振動(dòng)和所述另外的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)是彼此反相地定向，其中所述震動(dòng)質(zhì)量和所述另外的震動(dòng)質(zhì)量優(yōu)選通過至少一個(gè)彈簧區(qū)域彼此彈簧彈性地連接。因此，有利地能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)速的差分分析處理。所述震動(dòng)質(zhì)量和所述另外的震動(dòng)質(zhì)量通過彈簧區(qū)域的耦合有利地能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)自由度的限制，從而抑制額外的振動(dòng)模式和尤其寄生平行模式的形成。彈簧區(qū)域尤其包括將所述震動(dòng)質(zhì)量和所述另外的震動(dòng)質(zhì)量彼此連接的區(qū)域，其具有比所述振動(dòng)質(zhì)量和所述另外的振動(dòng)模塊更小的材料厚度，從而彈簧區(qū)域的剛性相對于所述震動(dòng)質(zhì)量和所述另外的震動(dòng)質(zhì)量降低并且因此能夠?qū)崿F(xiàn)所述震動(dòng)質(zhì)量相對于所述另外的振動(dòng)質(zhì)量的彈簧彈性的彎曲。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，力傳遞裝置通過至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)彈簧與震動(dòng)質(zhì)量耦合，其中所述驅(qū)動(dòng)彈簧包括彎曲彈簧，所述彎曲彈簧沿著基本上平行于轉(zhuǎn)速的感應(yīng)方向在力傳遞裝置與震動(dòng)質(zhì)量之間或在力傳遞裝置的凸起與震動(dòng)質(zhì)量的另一凸起之間延伸。此外，驅(qū)動(dòng)彈簧優(yōu)選平行于驅(qū)動(dòng)軸線延伸。因此，有利地實(shí)現(xiàn)震動(dòng)質(zhì)量在力傳遞裝置上的懸掛，所述力傳遞裝置能夠?qū)崿F(xiàn)震動(dòng)質(zhì)量繞驅(qū)動(dòng)軸線的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)的形成。驅(qū)動(dòng)彈簧尤其按照薄膜鉸鏈的方式間接或直接地構(gòu)造在震動(dòng)質(zhì)量和力傳遞裝置之間。特別地，僅僅導(dǎo)致駐波形成的轉(zhuǎn)矩通過驅(qū)動(dòng)彈簧引入力傳遞裝置中。此外，驅(qū)動(dòng)彈簧還用于為了探測轉(zhuǎn)速而將震動(dòng)質(zhì)量繞探測軸線的探測運(yùn)動(dòng)傳遞到力傳遞裝置上。構(gòu)造為驅(qū)動(dòng)彈簧的板式彈簧在轉(zhuǎn)速傳感器的功能層中如此確定尺寸，使得驅(qū)動(dòng)彈簧不具有或者僅僅具有最小的固有正交運(yùn)動(dòng)。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，探測彈簧包括彎曲彈簧，所述彎曲彈簧的一個(gè)端部區(qū)域在駐波的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)中配合在力傳遞裝置上并且所述彎曲彈簧的另一端部區(qū)域配合在固定在襯底上的錨定點(diǎn)上，其中彎曲彈簧相對于繞平行于探測軸線的彎曲軸線的彎曲比相對于繞平行于主延伸平面的彎曲軸線的彎曲更軟，其中彎曲彈簧優(yōu)選基本上相對于探測軸線徑向地設(shè)置。因此，探測彈簧有利地實(shí)現(xiàn)力傳遞裝置由于震動(dòng)質(zhì)量的探測振動(dòng)繞探測軸線的旋轉(zhuǎn)。有利地，同時(shí)通過探測彈簧連接到振動(dòng)節(jié)點(diǎn)上來抑制正交信號的產(chǎn)生，即使彎曲彈簧作為梁式彈簧原則上是正交性的。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，震動(dòng)質(zhì)量包括第一質(zhì)量元件和第二質(zhì)量元件，其中驅(qū)動(dòng)軸線在第一質(zhì)量元件和第二質(zhì)量元件之間延伸，其中第一質(zhì)量元件和第二質(zhì)量元件通過耦合彈簧彼此耦合，其中第一質(zhì)量元件和第二質(zhì)量元件優(yōu)選分別通過驅(qū)動(dòng)彈簧與力傳遞裝置耦合。優(yōu)選地，無論驅(qū)動(dòng)彈簧還是耦合彈簧都設(shè)置在第一質(zhì)量元件和第二質(zhì)量元件之間。耦合彈簧尤其包括將第一質(zhì)量區(qū)域和第二質(zhì)量區(qū)域彼此連接的區(qū)域，具有相對于第一質(zhì)量區(qū)域和第二質(zhì)量區(qū)域減小的材料厚度(垂直于主延伸平面)，從而耦合彈簧的剛性相對于第一質(zhì)量區(qū)域和第二質(zhì)量區(qū)域降低和/或力傳遞裝置的部分區(qū)域可以在第一質(zhì)量區(qū)域和第二質(zhì)量區(qū)域之間延伸，而不連接到所述部分區(qū)域上。此外可考慮:當(dāng)力傳遞裝置的部分區(qū)域連接到耦合彈簧上時(shí)，在所述區(qū)域中耦合彈簧充當(dāng)驅(qū)動(dòng)彈簧。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，轉(zhuǎn)速傳感器具有框架，所述框架包括兩個(gè)平行于感應(yīng)方向延伸的力傳遞裝置和至少一個(gè)平行于驅(qū)動(dòng)軸線在兩個(gè)力傳遞裝置之間延伸的中間區(qū)段，其中中間區(qū)段優(yōu)選設(shè)置在第一質(zhì)量元件和第二質(zhì)量元件之間。因此，有利地實(shí)現(xiàn)由力傳遞裝置和震動(dòng)質(zhì)量構(gòu)成的穩(wěn)定的、扭轉(zhuǎn)剛性且結(jié)構(gòu)空間緊湊的結(jié)構(gòu)。根據(jù)一個(gè)有利的實(shí)施方式，力傳遞裝置與配置用于探測探測振動(dòng)的探測結(jié)構(gòu)連接，其中所述探測結(jié)構(gòu)包括剛性地與力傳遞裝置連接的探測電極以及分配給探測電極的固定在襯底上的固定電極，其中探測電極有利地基本上平行于驅(qū)動(dòng)軸線或基本相對于探測軸線徑向地設(shè)置。因此，有利地實(shí)現(xiàn)探測運(yùn)動(dòng)的精確探測以確定轉(zhuǎn)速。本發(fā)明的另一主題是用于運(yùn)行根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)速傳感器的方法，其中借助于驅(qū)動(dòng)裝置激勵(lì)震動(dòng)質(zhì)量繞驅(qū)動(dòng)軸線進(jìn)行驅(qū)動(dòng)振動(dòng)，其中將驅(qū)動(dòng)振動(dòng)如此耦合輸入到力傳遞裝置中，使得在力傳遞裝置中產(chǎn)生駐波，其中借助于探測彈簧將力傳遞裝置固定在駐波的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)上。有利地，將力傳遞裝置固定在駐波的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)上，從而不產(chǎn)生由驅(qū)動(dòng)振動(dòng)引起的探測彈簧彎曲并且因此抑制正交信號的形成。根據(jù)一個(gè)有利的實(shí)施方式，借助于與力傳遞裝置剛性連接的探測結(jié)構(gòu)電容式地探測震動(dòng)質(zhì)量的由科里奧利力引起的繞探測軸線的探測振動(dòng)。因此，有利地能夠?qū)崿F(xiàn)探測振動(dòng)的精確測量為確定轉(zhuǎn)速。優(yōu)選地，構(gòu)造為驅(qū)動(dòng)彈簧的板式彈簧在轉(zhuǎn)速傳感器的功能層中如此確定尺寸，使得驅(qū)動(dòng)彈簧不具有或至少僅僅具有最小的固有正交運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明的實(shí)施例在附圖中示出并且在以下描述中詳細(xì)闡述。


附圖示出:圖la、lb和Ic:根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的轉(zhuǎn)速傳感器的示意性視圖和細(xì)節(jié)視圖，圖2a、2b和2c:用于闡明根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的轉(zhuǎn)速傳感器的運(yùn)動(dòng)的示意性視圖，圖3a、3b和3c:根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的轉(zhuǎn)速傳感器的示意性視圖和細(xì)節(jié)視圖。
具體實(shí)施例方式在不同的附圖中相同的部分總是設(shè)有相同的參考標(biāo)記并且因此通常也分別僅僅說明或提及一次。
在圖1a中示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的轉(zhuǎn)速傳感器I的示意圖。轉(zhuǎn)速傳感器I具有襯底2，所述襯底具有主延伸平面100。襯底2優(yōu)選包括已經(jīng)在半導(dǎo)體制造工藝中結(jié)構(gòu)化的硅襯底。轉(zhuǎn)速傳感器I還具有一個(gè)震動(dòng)質(zhì)量50和兩個(gè)另外的震動(dòng)質(zhì)量51，其中震動(dòng)質(zhì)量50設(shè)置在兩個(gè)另外的震動(dòng)質(zhì)量51之間。相鄰的震動(dòng)質(zhì)量50和另外的震動(dòng)質(zhì)量51可選地通過共同的彈簧區(qū)域52彈簧彈性地彼此耦合。震動(dòng)質(zhì)量50可繞平行于主延伸平面100的驅(qū)動(dòng)軸線102擺動(dòng)并且可借助于未示出的驅(qū)動(dòng)裝置被驅(qū)動(dòng)成繞驅(qū)動(dòng)軸線102的轉(zhuǎn)動(dòng)振動(dòng)形式的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)102’。另外的震動(dòng)質(zhì)量51類似地可被驅(qū)動(dòng)成分別繞平行于驅(qū)動(dòng)軸線102的另外的驅(qū)動(dòng)軸線的另外的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)，其中所述另外的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)分別相對于所述驅(qū)動(dòng)振動(dòng)102’反相。轉(zhuǎn)速傳感器I還具有閉合的框架43，所述閉合的框架包括兩個(gè)直線地并且平行于感應(yīng)軸線103 (平行于主延伸平面100并且垂直于驅(qū)動(dòng)軸線102延伸)延伸的力傳遞裝置40。兩個(gè)力傳遞裝置40通過三個(gè)平行于驅(qū)動(dòng)軸線102延伸的中間區(qū)段44連接。震動(dòng)質(zhì)量50和兩個(gè)另外的震動(dòng)質(zhì)量51分別包括一個(gè)第一質(zhì)量兀件53和一個(gè)第二質(zhì)量兀件54。第一和第二質(zhì)量元件53、54分別通過耦合彈簧55彈簧彈性地或剛性地彼此連接。中間區(qū)段44以及驅(qū)動(dòng)軸線102或者另一驅(qū)動(dòng)軸線分別在第一和第二質(zhì)量元件53、54之間延伸。第一和第二質(zhì)量元件53、54還分別通過驅(qū)動(dòng)彈簧41與中間區(qū)段44耦合并且因此與力傳遞裝置40耦合。驅(qū)動(dòng)彈簧41包括扁平地平行于主延伸平面100延伸的彎曲彈簧，所述彎曲彈簧按照薄膜鉸鏈的方式起作用并且允許震動(dòng)質(zhì)量50相對于力傳遞裝置40的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)102’或者另外的震動(dòng)質(zhì)量51相對于力傳遞裝置40的另外的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)。力傳遞裝置40在此在驅(qū)動(dòng)軸線102或者另外的驅(qū)動(dòng)軸線的區(qū)域中與震動(dòng)質(zhì)量50、51耦合，從而基本上僅僅相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩從驅(qū)動(dòng)振動(dòng)102’耦合輸入到力傳遞裝置40中(在圖2a中示意性地示出)。力傳遞裝置40如此確定尺寸，使得由于所述轉(zhuǎn)矩在力傳遞裝置40中形成駐波70(圖2b中示意性地示出)。駐波70具有振動(dòng)節(jié)點(diǎn)71，在所述振動(dòng)節(jié)點(diǎn)中力傳遞裝置40與力傳遞裝置40的其余區(qū)域相比幾乎處于靜止。轉(zhuǎn)速傳感器I還具有四個(gè)探測彈簧30，所述四個(gè)探測彈簧用于框架43懸掛在襯底2上。探測彈簧30為此與力傳遞裝置40如此耦合，使得探測彈簧30的一個(gè)端部區(qū)域31分別在振動(dòng)節(jié)點(diǎn)71的區(qū)域中配合在力傳遞裝置40上，而探測彈簧30的背離所述端部區(qū)域31的另一端部區(qū)域間接地或直接地與襯底2連接。由于探測彈簧30的所述定位，由驅(qū)動(dòng)振動(dòng)引起的力或力矩不從力傳遞裝置40傳遞到探測彈簧30中，從而探測彈簧30也不會(huì)因?yàn)轵?qū)動(dòng)振動(dòng)而彎曲并且正交信號的產(chǎn)生因此被抑制。然而，同時(shí)探測彈簧30能夠?qū)崿F(xiàn)框架43繞垂直于主延伸平面100延伸的探測軸線101的旋轉(zhuǎn)，因?yàn)樘綔y彈簧30構(gòu)造成相對于繞平行于探測軸線101的彎曲軸線的彎曲比相對于繞平行于主延伸平面100的彎曲軸線的彎曲更軟。在存在平行于感應(yīng)軸線103的轉(zhuǎn)速103’的情況下，繞探測軸線101的科里奧利力作用到繞驅(qū)動(dòng)軸線102振動(dòng)的震動(dòng)質(zhì)量50、51上(在圖2c中示意性示出),從而框架32通過驅(qū)動(dòng)彈簧41激勵(lì)成繞探測軸線101的探測振動(dòng)101’。力傳遞裝置40分別與探測結(jié)構(gòu)60連接。兩個(gè)探測結(jié)構(gòu)60中的每一個(gè)包括與力傳遞裝置40剛性連接的探測電極61和相應(yīng)的固定在襯底上的固定電極，其中探測電極61基本上在徑向上繞探測軸線101延伸。因此，繞探測軸線101的探測運(yùn)動(dòng)101’導(dǎo)致探測電極61和固定電極之間的距離改變，所述距離改變被電容式地以及差分式地分析處理并且被用于轉(zhuǎn)速103’的確定。在圖1b中示出了根據(jù)在圖1a中示出的第一實(shí)施方式的轉(zhuǎn)速傳感器I的細(xì)節(jié)視圖，其中所述細(xì)節(jié)視圖具有震動(dòng)質(zhì)量51和中間區(qū)段44。在圖1a中可以看到中部區(qū)段200，在所述中部區(qū)段中第一和第二質(zhì)量元件53、54通過基本上剛性的耦合彈簧55彼此連接。耦合彈簧55在此不直接與中間區(qū)段44連接，而是與中間區(qū)段44間隔開。在與中部區(qū)段200鄰接的側(cè)面區(qū)段201中，第一和第二質(zhì)量元件53、54通過驅(qū)動(dòng)彈簧41直接彼此連接并且與中間區(qū)段44耦合。驅(qū)動(dòng)彈簧41在此尤其構(gòu)造為板式彈簧。在圖1c中示出了在圖1b中示出的中部區(qū)段200的細(xì)節(jié)視圖?？梢钥吹街虚g區(qū)段44不直接與耦合區(qū)域55連接，而是在中部區(qū)段200中在中間區(qū)段44與耦合區(qū)域55之間構(gòu)造有自由空間202。在圖2a、2b和2c中示意性地并且簡化地示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的轉(zhuǎn)速傳感器I的視圖，以便闡明轉(zhuǎn)速傳感器的部件的工作原理和運(yùn)動(dòng)。震動(dòng)質(zhì)量50、51通過彈簧區(qū)域52如此彼此連接，使得同相運(yùn)動(dòng)明顯位于反相運(yùn)動(dòng)的諧振頻率以上。此外，驅(qū)動(dòng)彈簧41和耦合彈簧55實(shí)施為在驅(qū)動(dòng)振動(dòng)時(shí)是非正交的，由此這些彈簧不產(chǎn)生正交信號。在圖2a中在示意性側(cè)視圖中示出了驅(qū)動(dòng)振動(dòng)?？梢钥吹秸饎?dòng)質(zhì)量50繞驅(qū)動(dòng)軸線102振動(dòng)并且另外的震動(dòng)質(zhì)量51反相地繞另外的驅(qū)動(dòng)軸線振動(dòng)。在轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)中，即在驅(qū)動(dòng)軸線102和另外的驅(qū)動(dòng)軸線的區(qū)域中，力傳遞裝置40通過驅(qū)動(dòng)彈簧41與震動(dòng)質(zhì)量50、51耦合。例如，借助于震動(dòng)質(zhì)量50、51與襯底2之間的面電極形式的驅(qū)動(dòng)裝置電容式性地激勵(lì)震動(dòng)質(zhì)量50、51進(jìn)行驅(qū)動(dòng)振動(dòng)102’(按照平板電容器驅(qū)動(dòng)的方式)。在力傳遞裝置40中形成在圖2b中示意性示出的駐波70。震動(dòng)質(zhì)量50、51和力傳遞裝置40和驅(qū)動(dòng)彈簧41如此構(gòu)造,使得所有耦合輸入到力傳遞裝置40中的轉(zhuǎn)矩和力的總和基本上是零。因此沒有使框架43朝一個(gè)方向加速的力耦合輸出到框架43上。然而，在每個(gè)震動(dòng)質(zhì)量50、51上，一個(gè)力矩傳遞到力傳遞裝置40上。在震動(dòng)質(zhì)量50、51的適當(dāng)耦合的情況下，耦合區(qū)域55產(chǎn)生一個(gè)振動(dòng)模式，在所述振動(dòng)模式中這些力矩不導(dǎo)致擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)而使力傳遞裝置40振動(dòng)。詳細(xì)地，框架43由于所施加的力矩而經(jīng)受彎曲負(fù)荷。如果將力傳遞裝置40(振動(dòng)的震動(dòng)質(zhì)量50、51錨定到所述力傳遞裝置中)看作彎曲梁，則可以確定所述梁的彎曲線。結(jié)果得到在圖2b中示出的駐波70的形式的變形。因?yàn)榱卣覡畹匾则?qū)動(dòng)振動(dòng)102’的振動(dòng)頻率變化，所以在框架43的力傳遞裝置40上產(chǎn)生具有三個(gè)振動(dòng)節(jié)點(diǎn)71的駐波并且力傳遞裝置40的振動(dòng)的最終彎曲力矩補(bǔ)償由震動(dòng)質(zhì)量50、51耦合輸入到力傳遞裝置40中的力矩。駐波70的振幅決定性地由框架43的剛性確定，然而在合適選擇尺寸的情況下明顯低于驅(qū)動(dòng)振動(dòng)102’振幅的1%?？蚣?3的懸掛通過通常必須實(shí)施為具有正交性的梁式彈簧的探測彈簧30實(shí)現(xiàn)。因此，所介紹的轉(zhuǎn)速傳感器I的正交通過探測彈簧30上的驅(qū)動(dòng)正比的運(yùn)動(dòng)定義。由框架43和震動(dòng)質(zhì)量50、51構(gòu)成的結(jié)構(gòu)的懸掛點(diǎn)通過力傳遞裝置40的彎曲確定并且位于振動(dòng)節(jié)點(diǎn)71上，因?yàn)檎駝?dòng)節(jié)點(diǎn)71在純驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的情況下保持靜止并且探測彈簧30因此不再承受驅(qū)動(dòng)正比的力。有利地，由此正交信號可忽略，即使探測彈簧30實(shí)施為(原則上具有正交性的)梁式彈黃。在圖2c中示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的轉(zhuǎn)速傳感器I的俯視圖。在存在沿著感應(yīng)方向103的轉(zhuǎn)速103’的情況下(所述感應(yīng)方向與沿著驅(qū)動(dòng)軸線的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)重合)，科里奧利力300作用到震動(dòng)質(zhì)量50、51上，由此繞平行于探測軸線101延伸的軸線的相應(yīng)轉(zhuǎn)矩301上作用到震動(dòng)質(zhì)量50、51上。這些轉(zhuǎn)矩301相加得到作用到框架43上的最終轉(zhuǎn)矩，其使框架43繞探測軸線101進(jìn)行探測振動(dòng)。隨后借助于探測結(jié)構(gòu)60來探測所述探測振動(dòng)。為了獲得探測信號，如此實(shí)施震動(dòng)質(zhì)量50、51之間的耦合區(qū)域55和/或驅(qū)動(dòng)彈簧41，使得震動(dòng)質(zhì)量50、51或第一和第二質(zhì)量元件53、54相互間的剪切運(yùn)動(dòng)是不可能的并且與驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)類似的振動(dòng)模式被抑制。整個(gè)傳感器結(jié)構(gòu)關(guān)于科里奧利元件充當(dāng)剛性體并且在施加的轉(zhuǎn)速103’下開始旋轉(zhuǎn)。耦合區(qū)域55和驅(qū)動(dòng)彈簧41沿著平行于驅(qū)動(dòng)軸線102的方向的最大剛性設(shè)計(jì)導(dǎo)致最大測量效果。所述特性例如由(不正交的)在圖1b中示出并且構(gòu)造為鉸鏈彈簧的驅(qū)動(dòng)彈簧41來滿足。在根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)速傳感器I中，通過探測彈簧61的彎曲負(fù)荷直接產(chǎn)生正交信號是可忽略的。然而，驅(qū)動(dòng)正比的信號的另一可能的耦合輸入通過力傳遞裝置40的彎曲給出:在其上固定的探測電極61相應(yīng)于框架彎曲與驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)成正比地運(yùn)動(dòng)并且這樣可以引入不期望的驅(qū)動(dòng)正比的信號。然而，通過探測電極61在力傳遞裝置40兩側(cè)上的對稱實(shí)施實(shí)現(xiàn)了所述運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償。旋轉(zhuǎn)的探測運(yùn)動(dòng)使兩個(gè)電極面61反相偏轉(zhuǎn)，其中所有與驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)成正比的電極運(yùn)動(dòng)由于力傳遞裝置40的彎曲在兩個(gè)探測結(jié)構(gòu)60中是經(jīng)調(diào)整的。因此，通過差分的分析處理，所述不期望的信號被補(bǔ)償并且不作為轉(zhuǎn)速信號出現(xiàn)。在圖3a、3b和3c中示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的轉(zhuǎn)速傳感器I的示意圖和細(xì)節(jié)視圖，其中第二實(shí)施方式基本上與在圖1a中示出的第一實(shí)施方式相同，其中不同的是根據(jù)第二實(shí)施方式的轉(zhuǎn)速傳感器I不具有中間區(qū)段44以及震動(dòng)質(zhì)量50、51不由第一和第二質(zhì)量元件53、54組成。力傳遞裝置40對于每個(gè)震動(dòng)質(zhì)量50、51分別具有兩個(gè)凸起42,所述凸起朝著震動(dòng)質(zhì)量50、51的方向從力傳遞裝置40伸出并且在兩個(gè)凸起之間設(shè)置有相應(yīng)的震動(dòng)質(zhì)量50、51的相應(yīng)的另一凸起56。在兩個(gè)凸起42和另一凸起56之間分別構(gòu)造有構(gòu)造為板式彈簧的驅(qū)動(dòng)彈簧41。在圖3b中示出了所述懸掛的細(xì)節(jié)視圖。震動(dòng)質(zhì)量50通過彈簧區(qū)域52與相鄰的另一震動(dòng)質(zhì)量51彈簧彈性地耦合，所述彈簧區(qū)域52在圖3c中詳細(xì)示出。此外，與第一實(shí)施方式不同地，探測電極61不是相對于探測軸線101徑向構(gòu)造的，而是取而代之地平行于驅(qū)動(dòng)軸線102構(gòu)造的。此外，轉(zhuǎn)速傳感器I還具有兩個(gè)額外的驅(qū)動(dòng)彈簧30’，其分別在中間的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)71的區(qū)域中配合到力傳遞裝置40上。
權(quán)利要求
1.轉(zhuǎn)速傳感器(1)，其具有包括主延伸平面(100)的襯底(20)、借助于探測彈簧(30)能夠運(yùn)動(dòng)地固定在所述襯底(20)上的力傳遞裝置(40)和震動(dòng)質(zhì)量(50)，其中，所述震動(dòng)質(zhì)量(50)通過所述力傳遞裝置(40)如此能夠相對于所述襯底(20)運(yùn)動(dòng)地懸掛，使得所述震動(dòng)質(zhì)量(50)能夠借助于驅(qū)動(dòng)裝置被激勵(lì)成繞平行于所述主延伸平面(100)的驅(qū)動(dòng)軸線(102)的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)(102’)，并且在存在平行于所述主延伸平面(100)并且垂直于所述驅(qū)動(dòng)軸線(102)的轉(zhuǎn)速(103’)時(shí)所述震動(dòng)質(zhì)量(50)由于科里奧利力能夠被激勵(lì)成繞垂直于所述主延伸平面(100)的探測軸線(101)的探測振動(dòng)(101’)，其特征在于，所述探測彈簧(30)與所述力傳遞裝置(40)在振動(dòng)節(jié)點(diǎn)(71)的區(qū)域中耦合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)速傳感器(1)，其中，所述力傳遞裝置(40)通過驅(qū)動(dòng)彈簧(41)與所述震動(dòng)質(zhì)量(50)如此耦合，使得力傳遞裝置(40)能夠通過所述震動(dòng)質(zhì)量(50)的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)被激勵(lì)成具有所述振動(dòng)節(jié)點(diǎn)(71)的駐波(70)，和/或，所述力傳遞裝置(40)在所述驅(qū)動(dòng)軸線(102)的區(qū)域中與所述震動(dòng)質(zhì)量(50)耦合。
3.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)速傳感器(1)，其中，所述轉(zhuǎn)速傳感器(I)具有至少一個(gè)相鄰的另外的震動(dòng)質(zhì)量(51)，其能夠借助于另外的驅(qū)動(dòng)裝置被激勵(lì)成繞平行于所述驅(qū)動(dòng)軸線(102)的另外的驅(qū)動(dòng)軸線的另外的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)，其中，所述驅(qū)動(dòng)振動(dòng)和所述另外的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)彼此反相地定向，其中，所述震動(dòng)質(zhì)量(50)和所述另外的震動(dòng)質(zhì)量(51)優(yōu)選通過至少一個(gè)彈簧區(qū)域(52)彈簧彈性地彼此連接。
4.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)速傳感器(1)，其中，所述驅(qū)動(dòng)彈簧(41)包括彎曲彈簧，所述彎曲彈簧沿著基本上平行于所述轉(zhuǎn)速的感應(yīng)方向(103)在所述力傳遞裝置(40)與所述震動(dòng)質(zhì)量(50)之間或者在所述力傳遞裝置(40)的凸起(42)與所述震動(dòng)質(zhì)量(50)的另一凸起 (56)之間延伸。
5.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)速傳感器(1)，其中，所述探測彈簧(30)包括彎曲彈簧，所述彎曲彈簧的一個(gè)端部區(qū)域(31)在所述駐波(70)的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)(71)中配合在所述力傳遞裝置(40)上，并且所述彎曲彈簧的另一個(gè)端部區(qū)域(32)配合在固定在襯底上的錨定點(diǎn)上，其中，所述探測彈簧(30)相對于繞平行于所述探測軸線(101)的彎曲軸線的彎曲比相對于繞平行于所述主延伸平面的彎曲軸線的彎曲更軟，其中，所述探測彈簧(30)優(yōu)選基本上相對于所述探測軸線(101)徑向地設(shè)置。
6.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)速傳感器(1)，其中，所述震動(dòng)質(zhì)量(50)包括第一質(zhì)量元件(53)和第二質(zhì)量元件(54)，其中，所述驅(qū)動(dòng)軸線(102)在所述第一質(zhì)量元件和所述第二質(zhì)量元件之間延伸，其中，所述第一質(zhì)量元件和所述第二質(zhì)量元件通過耦合彈簧(55)彼此耦合，其中，所述第一質(zhì)量元件和所述第二質(zhì)量元件優(yōu)選分別通過驅(qū)動(dòng)彈簧(41)和所述力傳遞裝置(40)耦合。
7.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)速傳感器(1)，其中，所述轉(zhuǎn)速傳感器(I)具有框架(43)，所述框架包括兩個(gè)平行于感應(yīng)方向(103)延伸的力傳遞裝置(40)和至少一個(gè)平行于所述驅(qū)動(dòng)軸線(102)在兩個(gè)力傳遞裝置(40)之間延伸的中間區(qū)段(44)，其中，所述中間區(qū)段(44)優(yōu)選設(shè)置在所述第一質(zhì)量元件和所述第二質(zhì)量元件(53，54)之間。
8.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)速傳感器(1)，其中，所述力傳遞裝置(40)與探測結(jié)構(gòu)(60)連接，所述探測結(jié)構(gòu)配置用于探測所述探測振動(dòng)，其中，所述探測結(jié)構(gòu)(60)包括與所述力傳遞裝置(40)剛性連接的探測電極(61)和分配給所述探測電極(61)的固定在襯底上的固定電極，其中，所述探測電極(61)優(yōu)選基本上平行于所述驅(qū)動(dòng)軸線(102)或者基本上相對于所述探測軸線(101)徑向地設(shè)置。
9.用于運(yùn)行根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)速傳感器(I)的方法，其中，借助于所述驅(qū)動(dòng)裝置激勵(lì)所述震動(dòng)質(zhì)量(50)進(jìn)行繞所述驅(qū)動(dòng)軸線(102)的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)，其中，所述驅(qū)動(dòng)振動(dòng)如此耦合輸入到所述力傳遞裝置(40)中，使得產(chǎn)生所述力傳遞裝置(40)中的駐波(70)，其中，借助于探測彈簧(30)將所述力傳遞裝置(40)固定在所述駐波的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)(71)上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，借助于與所述力傳遞裝置(40)剛性連接的探測結(jié)構(gòu)(60)電容式地探測由科里奧利力引起的所述震動(dòng)質(zhì)量(50)繞所述探測軸線(101)的探 測振動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種轉(zhuǎn)速傳感器，其具有包括主延伸平面的襯底、借助探測彈簧能夠運(yùn)動(dòng)地固定在襯底上的力傳遞裝置和震動(dòng)質(zhì)量，其中震動(dòng)質(zhì)量通過力傳遞裝置如此能夠相對于襯底運(yùn)動(dòng)地懸掛，使得震動(dòng)質(zhì)量能夠借助于驅(qū)動(dòng)裝置被激勵(lì)成繞平行于主延伸平面的驅(qū)動(dòng)軸線的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)，并且在存在平行于主延伸平面并且垂直于驅(qū)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)速時(shí)震動(dòng)質(zhì)量由于科里奧利力能夠被激勵(lì)成繞垂直于主延伸平面的探測軸線的探測振動(dòng)，其中，探測彈簧與力傳遞裝置在振動(dòng)節(jié)點(diǎn)的區(qū)域中耦合。
文檔編號G01C19/5747GK103196439SQ201210592869
公開日2013年7月10日 申請日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月5日
發(fā)明者B·庫爾曼, J-T·利瓦爾德 申請人:羅伯特·博世有限公司